1、第 卷 第 期应 用 海 洋 学 学 报,年 月 ,石斑鱼转录因子 和 在冷胁迫中的调控作用苗奔奔,林 楚,曹文科,梁燕珊,吴仁协,牛素芳,梁镇邦 收稿日期:资助项目:南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)项目()作者简介:苗奔奔(),男,硕士研究生;:通讯作者:吴仁协(),男,博士,副教授;:(广东海洋大学水产学院,广东 湛江;南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江),广东 湛江)摘要:和 转录因子属于核受体转录因子家族,二者通过调控靶基因表达参与众多生物学过程,尤其在昼夜节律调节中发挥重要作用。本研究通过分析 和 的蛋白质分子特征以及在冷胁迫下珍珠龙胆石斑鱼()的基因调控关系以及它们所参与的
2、通路,揭示它们在鱼类低温环境中的功能作用。生物信息学比较分析显示 和 基因序列均有 个开放阅读框,编码的蛋白质均属于不稳定的亲水性蛋白质。和 蛋白质均含有 类锌脂蛋白结构域和 核激素受体的配体结合域,主要配体为含铁原卟啉。这两种蛋白主要在细胞核中发挥调控基因表达的作用,且与昼夜节律通路的多个关键基因有直接作用关系。结果表明,在冷胁迫下 和 作为转录因子可通过调控靶基因的表达,参与昼夜节律调节并促进糖脂代谢、线粒体氧化等过程,为珍珠龙胆石斑鱼提供必要的能量,有助于增强其耐寒性。关键词:海洋生物学;珍珠龙胆石斑鱼;冷胁迫;核受体转录因子家族;昼夜节律调节:中图分类号:文献标识码:文章编号:()珍珠
3、龙胆石斑鱼()是以鞍带石斑鱼()为父本、棕点石斑鱼()为母本杂交培育的新品种,具有生长速度快、抗病能力强、饵料系数低等诸多优点,食用价值和经济价值均较高。珍珠龙胆石斑鱼已成为我国东南沿海的主要养殖品种之一,其养殖产量占我国石斑鱼总养殖产量的 以上,在我国海水鱼养殖产业中占有非常重要的地位。目前,有关珍珠龙胆石斑鱼的研究主要集中在人工繁育、饲料营养、鱼病防治及免疫、养殖生态、生长性能与生理生化等方面。以往研究表明,珍珠龙胆石斑鱼虽对环境突变适应能力强,但它并不耐寒,在水温 即停止摄食和生长,出现死亡。这限制了珍珠龙胆石斑鱼在温度较低的北方沿海或是水温骤降条件下的养殖生产。之前,我们对珍珠龙胆石斑
4、鱼进行低温胁迫的转录组学分析,筛选出大量与低温相关的关键基因和重要的生物学通路,并结合 ()和转录因子(,)阐明了该石斑鱼在低温条件下的基因调控关系和分子适应机理。同时,我们的研究初步揭示了核受体亚族 组 成员 (,)基因通过参与昼夜节律调节来增强珍珠龙胆石斑鱼的抗寒性和抵抗冷应激引起的损伤,这是鱼类低温研究中有关该基因功能的首次报道。此外,作为 的同源基因,基因也是动物昼夜节律调节的关键基因。在已有的研究中,有关 和 在参与人类和小鼠的昼夜节律核心时钟蛋白的基因表达以及负调控作用等方面的研究最为完善,这两个基因在线粒体代谢、肿瘤研究中也受到较多的关注,被认为具有疾病治疗和预后方面的作用。得益
5、于基因组和转录组学测序可对基因进行广泛筛选,在对斑马鱼 应 用 海 洋 学 学 报 卷()、山羊等相关研究中亦发现 和 通过参与昼夜节律调控在多种环境因子适应过程中发挥重要的功能作用,同时也参与脂质代谢和能量代谢等通路,但缺乏更深入的探讨。对于 和 在鱼类适应低温胁迫过程中具体的核心时钟调控方式以及它们所参与的通路作用尚不清楚。由于这两个基因在转录翻译后皆是转录因子,因此,有必要从转录因子角度来进一步研究它们在鱼类低温环境中的功能作用。本研究在获取珍珠龙胆石斑鱼低温胁迫的肝脏转录组中差异表达的 基因全长转录本的基础上,结合其父本鞍带石斑鱼的同源基因 的转录本数据,通过多角度的生物信息学分析方法
6、,揭示它们的蛋白质理化性质和结构特征。基于蛋白质翻译后修饰、亚细胞定位、蛋白质互作网络、通路分析,探讨 和 这两个转录因子在鱼类应对低温过程中的分子特征和功能作用,以期为培育新的耐寒品种提供理论依据。材料与方法 实验鱼和取样本研究的 全长转录本来自之前的珍珠龙胆石斑鱼低温胁迫的肝脏组织转录组测序结果。实验鱼为购自海南繁育亲本孵化的 尾珍珠龙胆石斑鱼幼鱼平均体长:();平均体重:(),在水温()、盐度()、溶解氧()条件下暂养两周。之后,在以每小时水温下降 的恒定速率下,进行 、持续 等 个温度梯度的胁迫实验,依次命名 (对照组)、等 个实验组。每个实验组含有 个平行处理,每个平行处理随机取 尾
7、鱼,共获得 个肝脏组织样品。样品装入含有 保存液的冷冻管,在液氮速冻后置于 冰箱保存备用。提取和实时荧光定量()采用 试剂()提取 个肝脏组织样品的总,其 吸光值和浓度由 仪器检测,并以琼脂糖凝胶电泳检测总 的完整性(,)。根据总 的质量检测,从每个平行处理样中挑选总 质量最好的一个样品(以保证每个实验组有 个样品),共计 个肝脏组织样的总(使用 试剂,)用于反转录合成 文库,以定量检测 基因在 个实验组中的表达趋势。根据已获得的珍珠龙胆石斑鱼 基因全长转录本序列,使用 软件设计特异性正反引物:,:。由于 基因序列在本研究的 个实验组中表达稳定,将其作为内参基因用于计算 基因的相对表达量。采用
8、 试剂()进行 反应,每个样品设置 次实验重复和一次无模板的对照实验。实验过程中设置熔解曲线,以验证引物的特异性和排除具有大量二聚体的引物。反应程序为:预变性,、,重复 次循环。基于公式计算 基因的相对表达量,并与转录组测序的表达量数据进行可视化对比,以检验 基因在低温胁迫过程中的表达趋势。近缘种、基因序列获取和 预测基于 程序,将珍珠龙胆石斑鱼的 全长转录本 序列进行近缘种的序列搜索和比对,获取其序列相似度最高的父本鞍带石斑鱼 基因序列,另获得母本棕点石斑鱼和近缘种云纹石斑鱼()的 和 基因序列,共计 条序列用于开放阅读框预测和氨基酸序列比对。根据 工具搜索和分析、基因包含的开放阅读框(),
9、设置最小开放阅读框序列长度为,采用以 为起始密码子的标准遗传编码。最终保存最长开放阅读框的氨基酸序列用于后续基于蛋白质水平的分析。、的转录因子及靶基因预测通过动物转录因子数据库 对、的氨基酸序列进行转录因子预测分析。由于转录因子结合位点()是转录因子蛋白质结合到靶基因调控转录表达的特异性序列。本研究以 记录的人类和斑马鱼数据库为背景进行、转录因子的 预测,并以 形式展示其特异性序列。基于 数据库中的人类和小鼠转录因子的靶基因数据,对、转录因子进行靶基因预测。、蛋白的理化性质和结构分析利用 软件对所预测的、氨基酸序列,进行蛋白质的相对分子量、分子化学式、等电点(酸碱性)、不稳定系数、疏水指数、脂
10、溶系数等理化性质分析。使用 软件对、的氨基 期苗奔奔,等:石斑鱼转录因子 和 在冷胁迫中的调控作用 酸序列进行比对,将其完全一致的序列以相同的颜色标记,视为具有潜在的保守序列,以利于查找共有结构域。基于 蛋白质数据库和 蛋白质保守功能结构域()数据库鉴定、的保守功能结构域,以获得两种分析结果具有一致性的保守功能结构域,确定结构域类型并判断转录因子的家族特性和潜在的调控能力。基于 程 序预 测、的蛋白质二级结构,设置构象状态数为,即包括 螺旋、折叠、转角、无规则卷曲等 种主要结构,滑动窗口宽度为默认值,相似性阈值为。采用 数据库搜索获得、的蛋白质三级结构,以更加直观地了解其功能结构域的外形三维特
11、点。、的蛋白质功能分析运用 对、进行蛋白质磷酸化位点预测分析,包含所有丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸的残基修饰位点。通过 程序预测、蛋白质在亚细胞内的位置,根据 在线程序预测其细胞核定位序列,设置 为预测阈值。采用 程序对两种蛋白质进行跨膜结构域预测,以判断其是否为细胞膜成分或存在多次跨膜。通过 程序进行两种蛋白质的信号肽预测分析,以确认其是否作为分泌蛋白在细胞外起作用。跨膜分析和信号肽分析均作为亚细胞定位的佐证分析。将、的氨基酸序列提交到 数据库的在线多序列分析服务,以斑马鱼为参考物种进行蛋白质互作分析,置信度设置为(),并根据分析需要逐步增加新的蛋白质节点,最终获得高置信度的蛋白质互作(,)网络。
12、通过 数据库的在线分析功能搜索和筛选两种蛋白质可能共同参与的通路,并与蛋白质互作网络中的蛋白质参与通路进行整合。结果与分析 基因在各组中的表达趋势经 定量检测发现,基因在珍珠龙胆石斑鱼、等 个温度梯度实验组中,呈现出先升后降的表达趋势,该趋势与转录组测序基于 标准化后的变化趋势相一致(图)。当温度从 (组)逐渐下降到 (组)过程中,鱼体可以维持正常的生命活动。因此,的上调表达有利于其在复杂的生物学过程中实现功能作用,即有利于珍珠龙胆石斑鱼应对温度降低带来的能量流失和细胞损伤。而在最后 持续胁迫 (组)的过程中,会发生实验鱼死亡的现象。即实验鱼在长时间极端低温胁迫下肌体会受到不可恢复的严重损伤,
13、导致生化过程发生变化、基因表达大幅度下降。这种表达趋势表明 基因的上调表达可能通过参与某些具体的生物学过程以利于珍珠龙胆石斑鱼应对持续的低温胁迫。图 基因在珍珠龙胆石斑鱼 个温度梯度实验组中的表达趋势 近缘种、基因序列获得和开放阅读框预测珍珠龙胆石斑鱼 基因的 序列长度为 ,通过 比对到序列相似度由高 到 低 的 物 种 依 次 为 鞍 带 石 斑 鱼(相 似 性,号为,下 应 用 海 洋 学 学 报 卷同)、黄 尾 鰤(,相 似 性 ,)、圆鳍鱼(,相似性,)等,表明珍珠龙胆石斑鱼与其父本鞍带石斑鱼的对应基因序列相似性最高。同时,通过 搜索获得棕点 石 斑 鱼 和 云 纹 石 斑 鱼 的 (
14、、)和 (、)基因的转录本 序列,也用于与珍珠龙胆石斑鱼 基因进行生物信息学比较分析。基于、基因的 序列分别对其蛋白质编码的开放阅读框进行预测。其中,预测到 个开放阅读框,最长开放阅读框位于序列 ,其长度为 、编码 个氨基酸;预测到 个开放阅读框,最长开放阅读框位于序列 ,其长度为 、编码 个氨基酸。可见,两个基因的开放阅读框数量相同,且最长开放阅读框编码的氨基酸序列长度相近。和 转录因子及其靶基因预测 的 转 录 因 子 预 测 结 果 显 示、的氨基酸序列均属于 转录因子家族,基于全序列和最佳结构域的预测期望值二者分别均为、,表明、确实为动物的转录因子。序列预测显示,、分别对应于 数据库中
15、 (相似度:;:)、(相似度:;:),二者预测的 序列有些差异,分别为、,该结果得到 分析数据的支持。由于 数 据 库 中 没 有、作为转录因子的靶基因记录。因此,本研究根据 数据库中记录的人类和小鼠转录因子的靶基因数据进行预测,结果显示 的靶基因包含、和,而 的靶基因仅有 (表)。表 、转录因子的靶基因预测 转录因子靶基因参考文献()()(,)()()、的蛋白质理化特性、的蛋白质理化特性(表)表明两种蛋白质均为不稳定蛋白质、亲水性蛋白。正常状态下两种蛋白质分别呈弱碱性、弱酸性。氨基酸分析表明,、带负电的残基()总数分别为、,带正电荷的残基()总数分别为、。表 、的蛋白质理化特性 蛋白质氨基酸
16、长度 化学分子式相对分子量理论等电点不稳定系数脂溶性系数疏水性指数 、的保守功能结构域经比对发现,珍珠龙胆石斑鱼、棕点石斑鱼、鞍带石斑鱼和云纹石斑鱼的、氨基酸序列在 、等 个区域有相对较高的序列一致性(图),这些保守性序列很可能是该类转录因子的共有结构 期苗奔奔,等:石斑鱼转录因子 和 在冷胁迫中的调控作用 域。基于 数据库鉴定到的、的主要保守功能结构域均包括 类锌脂蛋白结构域和 核激素受体的配体结合域(图),分别对应于氨基酸序列的第一保守区域、第二至第四保守区域。可见,它们在该转录因子家族内较为保守。根据 数据库鉴定到 的保守功能结构域包括 (:;:)和 (:;:);的保守功能结构域也包括
17、(:;:)和 (:;:)。上述结果表明,、在 和 数据库中鉴定到的保守功能结构域的类型和数量完全一致,进一步确定了它们具有转录因子的特征结构域(即 类锌脂蛋白),且需要与 核激素受体的配体结合而发挥它们的转录调控功能。图 、的保守氨基酸序列 红色背景为标注 一致的氨基酸位置。应 用 海 洋 学 学 报 卷图 数据库鉴定的、的保守功能结构域 蛋白质二级和三级结构特点蛋白质二级结构预测结果表明,、均含有无规则卷曲()、螺旋()、延伸链()、折叠()。两种蛋白质二级结构类型、占比和在序列中的相对位置均相近。基于 数据库的人类数据记录,通过 方法获得两种蛋白质的三维结构(图)。的三维结构对应为 ,包含
18、了孤儿核受体()结构域和两个锌离子();的三维结构对应为 ,其整体蛋白质与含铁原卟啉 ()即血红素受体结合。其中,的三维结构与其蛋白质结构域预测结果基本吻合,而 的三维结构与其蛋白质结构域预测结果有所差异。图 、的蛋白质三维结构预测 黄色环指示蛋白质空间特征结构,棕色标签表示蛋白质空间结构的所属类型。期苗奔奔,等:石斑鱼转录因子 和 在冷胁迫中的调控作用 蛋白质的翻译后修饰分析根据蛋白质磷酸化修饰位点预测分析(),和 中的丝氨酸、苏氨酸、络氨酸的修饰位点数分别为()、()、()和()、()、()。两种蛋白质发生磷酸化修饰位点的种类一致,且均以丝氨酸氨基酸残基修饰为主。亚细胞定位分析显示,、蛋白
19、质皆以高达 的百分比定位于细胞核位置。进一步的核定位序列预测分析均未发现符合后验概率预测阈值 的核定位氨基酸序列,说明这两个转录因 子 可 以 不 依 赖 于 入 核 载 体 进 入 细 胞 核。、均不存在跨膜的结构域,且二者属于信号肽的可能性值均仅为 ,即二者不属于信号肽。上述分析表明,、这两种蛋白在翻译成熟后很可能通过核孔直接进入细胞核发挥其调控基因表达的功能。蛋白质互作网络和 通路根据氨基酸序列互作分析,在 网络中共获得 种直接或间接地与、具有互作关系的蛋白质,这些蛋白质与 直接互作的较多(图)。仅有 蛋白质与目标蛋白间接作用,其余 种蛋白质与 或 均有直接作用,而 和 之间亦存在直接的
20、密切联系(图、表)。图 所示蛋白质调控网络中,和 所直接调控的基因如、等皆属昼夜节律调节相关的关键分子。这种复杂的调控网络表示 和 可能通过与核心时钟的多个基因进行相互作用,从而在昼夜节律调控中发挥着重要的功能作用。图 蛋白质互作网络图 图像下方连接的颜色标注表示数据库中记录的蛋白质互作信息的来源。表 互作蛋白质信息和互作方式 蛋白质蛋白质全称互作方式蛋白质蛋白质全称互作方式 直接 直接 应 用 海 洋 学 学 报 卷续表蛋白质蛋白质全称互作方式蛋白质蛋白质全称互作方式 直接 直接 直接 直接 直接 直接 直接 直接 直接 直接 直接 直接 间接 通过 注释和富集分析,发现 网络中的基因主要富
21、集在昼夜节律、胰高血糖素信号通路()、甲状腺激素信号通路()及癌症中的转录失调通路()。其中、等基因在昼夜节律调节通路中扮演着关键的功能角色(图)。这些基因在 网络中的关联体现在生物学通路中复杂的调节关系,尤其是 对生物钟昼夜节律转变起到关键的调控作用。虽然在昼夜节律通路分析中未出现,但该蛋白在 网络中与、等昼夜节律通路的核心基因有直接作用关系,可见 转录因子具有潜在的昼夜节律调节功能。图 昼夜节律通路图 根据:中昼夜节律通路图修改重绘。讨论昼夜节律是生物为了适应外界环境变化,以近似 小时为周期调整生理行为和代谢反应的规律性变化过程。该过程由一系列的生物钟基因及其编码的蛋白质所调控,构成了一个
22、转录 翻译负反馈环路(,即第一条环路),其昼夜节律性体现在生物体内的不同水平反应中(如生理、生化、细胞、分子等)。该环路的正向调节端由大脑和肌肉芳香烃受体核转位蛋白类基因(,)、生理运动输出周期蛋白基因(,)等及其相应的蛋白组成;而负向调节端则主要由激活周期 期苗奔奔,等:石斑鱼转录因子 和 在冷胁迫中的调控作用 基因(,)、隐花色素基因(,)及其编码的蛋白组成。此外,主要由核受体亚家族 组 基因(,)和视黄酸相关孤儿受体基因(,)家族及其蛋白质组成的第二条反馈环路也是维持昼夜节律正常运行必不可少的环节。在第一条环路中,基因转录受到 和 结合的蛋白二聚体的激活;在第二条环路中,基因可与 基因启
23、动子结合并调节其转录表达。可见,基因家族及其蛋白在生物体的昼夜节律环路中发挥着重要的分子功能作用。细胞核受体(,)家族是一类高 度 保 守 的 转 录 因 子,包 括 ()、()、()和。它们通过与相应的配体结合并调控其他基因的表达,在胚胎发育、代谢调控、昼夜节律、炎症免疫等生物学过程中发挥着重要功能。目前,基因在斑马鱼、尼罗罗非鱼()、鳜鱼()、鲫鱼()等鱼类昼夜节律中的作用已有研究报道。然而,和 基因在鱼类冷胁迫中的调控机制以及生物学功能作用尚不清楚。本研究根据珍珠龙胆石斑鱼 基因的全长转录本 序列搜索比对,获得其父本鞍带石斑鱼 基因的全长转录本 序列,进而探究这两个转录因子的分子特征和可
24、能参与的重要生物学通路。结果表明,、基因序列均预测有 个开放阅读框,其中最长开放阅读框分别编码、个氨基酸,二者翻译后均为不稳定且呈亲水性的蛋白质。这两种蛋白质三级结构的主要保守功能结构域相近,均含有 类锌脂蛋白结构域和 核激素受体的配体结合域。它们的磷酸化修饰位点一致,在翻译后均通过核孔直接进入细胞核发挥调控基因转录过程作用。这些共性确定了、具有动物甲状腺激素类受体转录因子家族(,)的特征结构及功能。上述结果表明 和 基因之间高度同源,具有相似的蛋白质结构域和三维结构水平。同样,斑马鱼的旁系同源基因 和 编码的氨基酸序列高度保守,在环境刺激(温度、重金属、盐度和缺氧等)下发生相似的转录反应,表
25、明这两个基因可能在不同组织中发挥相同的调控作用。本研究的蛋白质互作网络和 通路分析表明,昼夜节律通路中涉及的多数生物钟核心基因均出现在、这两种蛋白质的 网络中,且部分基因与 基因直接作用完成特定的生物学过程。这提示、基因有相似的生物学功能,不但在蛋白质互作中具有密切的直接联系,同时在昼夜节律调节中发挥着调节作用。据报道,和 基因在动物的多个组织中存在周期性表达变化,能够作为转录因子参与昼夜节律和脂质代谢过程,使肌体维持正常的代谢功能,。以 往 研 究 已 明 确 基 因 受 到 蛋白二聚体的激活,作为生物钟的关键负反馈调节因子(即是 转录因子)抑制时钟基因 的表达,从而参与昼夜节律的调控,。除
26、了昼夜节律的调控作用,基因通过抑制、促炎细胞因子等关键基因的表达参与能量代谢(糖、脂代谢)、免疫炎症、细胞自噬 等 过 程。如 斑 马 鱼 的 蛋 白 与 和 基因的启动子 元件结合直接调控它们的表达,进而调节斑马鱼的细胞自噬过程。此外,转录因子在人类和小鼠的疾病治疗及肿瘤研究方面也有广泛的报道。作为 的同源基因,基因的发现报道较晚,对其生物学功能认识明显不足。由于二者的结构和功能域相似,研究者推测 基因可能同样涉及昼夜节律、能量代谢、细胞自噬等生物学过程的调控,但也有学者认为 基因是冗余的 基因。基因敲除实验证明 基因具有与 基因在小鼠骨骼肌氧化能力和线粒体生物调节中相似的作用,即证明了 亦
27、可驱动线粒体生物发生和参与脂肪酸氧化的基因的表达。另有研究发现 基因可直接抑制小鼠生物钟核心成分芳基烃受体核转运子(,)和隐花色素昼夜节律调节器 (,)的表达,并形成昼夜节律的一个关键负分支。而在鱼类研究中,仅少数报道揭示了 基因在肌肉细胞昼夜节律中的功能作用。在本研究的冷胁迫下,珍珠龙胆石斑鱼的 基因上调表达,且 蛋白与多种昼夜节律调节基因有直接作用关系。这提示珍珠龙胆石斑鱼通过 基因参与昼夜节律调节来激活众多代谢通路,为受冷胁迫机体提供必要的能量和抵抗细胞损伤,即昼夜节律调节可增强珍珠龙胆石斑鱼的耐寒能力。以往研究发现,的温度改变就能够引起动物体内昼夜节律相关基因 应 用 海 洋 学 学
28、报 卷的表达和蛋白质活性的变化。在持续黑暗下,温度的周期改变能够重启斑马鱼体外培养细胞的昼夜节律。结合本研究发现,可进一步确认温度胁迫与鱼类昼夜节律调节之间存在显著的关联性。综上所述,、基因编码的蛋白质具有相似的结构和功能,在 基因表达缺乏或低表达的情况下,基因可能参与调节体内昼夜节律、脂质代谢、线粒体生物发生等过程,使机体维持正常的生命活动。结论本研究的转录组测序和 定量检测发现 基因在冷胁迫下上调表达,表明 基因参与珍珠龙胆石斑鱼冷胁迫下的适应性调节。通过序列比对、蛋白结构预测和功能预测等分析,揭示了鞍带石斑鱼 基因和珍珠龙胆石斑鱼 基因具有较高的相似性。结合蛋白质互作网络和 通路分析,进
29、一步阐明了 和 转录因子与多个生物钟基因有直接作用关系并在昼夜节律中起到关键的调控作用,从而促进糖脂代谢、线粒体氧化等过程,以维持珍珠龙胆石斑鱼冷胁迫下正常的代谢功能。参考文献:,():,(),:林建斌,梁萍,朱庆国,等 海带多糖对珍珠龙胆石斑鱼生长性能和免疫力的影响 福建农业学报,():,():陈忠国 土池培育珍珠龙胆石斑鱼苗种技术 海洋与渔业,():,():,(),():梁华芳,黄东科,吴耀华,等 温度和盐度对龙虎斑存活与摄食的影响 广东海洋大学学报,():,(),():于欢欢,李炎璐,陈超,等 棕点石斑鱼()鞍带石斑鱼()杂交 仔、稚、幼鱼的摄食与生长特性分析 中国水产科学,():,()
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